基于Cortex-M3的生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集分站設(shè)計(jì)

引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)得到了越來越多的企業(yè)和學(xué)者的重視。盡管對物聯(lián)網(wǎng)的確切定義還頗有爭議，但有一點(diǎn)可以肯定，那就是物聯(lián)網(wǎng)必將進(jìn)一步提升信息社會(huì)的智能化水平。同樣，在森林環(huán)境乃至生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測中，物聯(lián)網(wǎng)也為人們提供了更多的選擇。

針對森林生態(tài)監(jiān)測中所關(guān)心的溫度、濕度、CO2濃度、環(huán)境光照以及與森林防火息息相關(guān)的煙霧濃度等數(shù)據(jù)，本文基于Cortex-M3處理器設(shè)計(jì)了生態(tài)數(shù)據(jù)采集分站，并將采集的數(shù)據(jù)用本地LCD液晶顯示，同時(shí)采用無線模塊傳送給數(shù)據(jù)中心主站。程序開發(fā)在嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS -II的基礎(chǔ)上分模塊進(jìn)行，不僅保證了良好的擴(kuò)展性，也提高了開發(fā)效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)分站以LM3S811處理器為核心，并引入了與森林生態(tài)監(jiān)測相關(guān)的多種傳感器，單總線數(shù)字式溫濕度復(fù)合型傳感器DHT11、I2C總線接口的環(huán)境光亮度傳感器BH1710FVC、電壓輸出型煙霧傳感器MQ-2和CO2傳感器MG-811。通過Cortex-M3處理器實(shí)時(shí)采集傳感器信息，經(jīng)處理后通過SPI接口的無線模塊nRF905發(fā)送給數(shù)據(jù)主站服務(wù)器。同時(shí)將采集的傳感器信息通過本地LCD顯示。若采集的傳感器信息異常(如煙霧濃度過高)，需聲光報(bào)警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。



1．2 系統(tǒng)模塊組成

1．2．1 溫濕度傳感器DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合單總線傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品的可靠性與長期穩(wěn)定性。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。它體積小、功耗極低，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上，適用于環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用。DHT11簡要說明如表1所列。

DHT11除電源和地線外，只有1條數(shù)據(jù)線，在與CPU接口時(shí)，數(shù)據(jù)線需用5 kΩ上拉電阻。DHT11與CPU的接口示意圖如圖2所示。在本設(shè)計(jì)中，采用LM3S811的PB0模擬單總線采集溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)。

DHT11的供電電壓為3～5．5 V，這里采用直流5 V電壓供電。傳感器上電后，要等待1 s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)。
數(shù)據(jù)線DATA與LM3S811的通信和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式。一次通信時(shí)間4 ms左右。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40位，高位先出。數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式說明如下：

8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗(yàn)和數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。

LM3S811發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40位的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，LM3S811可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到LM3S811的開始信號后觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。DHT11與LM3S811的接口時(shí)序如圖3所示。



1．2．2 煙霧傳感器MQ-2

MQ-2煙霧傳感器基于電化學(xué)原理，可用于可燃性氣體的檢測，這在林場防火應(yīng)用中尤為重要。
MQ-2加電預(yù)熱后(供電電壓標(biāo)稱+5 V)，當(dāng)MQ-2接觸到可燃性氣體時(shí)，其A-B極間等效的電阻阻值降低，為取出信號，可采用電阻RL與A-B極串聯(lián)分壓。為提高傳感器靈敏度和輸出電壓的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)中采用高輸入阻抗的CMOS運(yùn)放TLC272對傳感器的輸出電壓進(jìn)行跟隨和放大，得到輸出電壓Vout。
MQ-2煙霧傳感器原理圖如圖4所示。



1．2．3 CO2傳感器MG-811

MG-811型CO2傳感器的封裝與MQ-2類似，但其工作原理是等效為電壓源，即加電預(yù)熱后，A-B極間等效為電池(典型電壓為300 mV)。A-B電極間的電壓隨著CO2氣體濃度的升高而減小。由于MG-811等效的電壓源幾乎不能提供電流(小于1 pA)，這就要求運(yùn)放的輸入阻抗需要達(dá)到1012Ω。該系統(tǒng)中，采用TI公司高性能運(yùn)放TLC272對該電壓進(jìn)行跟隨和放大(如圖5所示)，以提高系統(tǒng)靈敏度。



1．2．4 環(huán)境光亮度傳感器BH1710FVC

BH1710FVC是一種I2C總線接口的數(shù)字型環(huán)境光亮度傳感器。它克服了傳統(tǒng)的光敏二極管／三極管對光源方向敏感的缺點(diǎn)，具有檢測分辨率高、測量范圍廣(1～65 535 lx)的優(yōu)點(diǎn)，而且其輸出接近人眼對光譜的反應(yīng)。在BH1710FVC的6腳封裝中，ADDR引腳用于控制器件的從地址。該引腳為“1”和“0”時(shí)，BH1710FVC的從地址分別為0x5C和0x43。BH1710FVC的接口電路如圖6所示。



1．2．5 無線射頻模塊nRF905

nRF905模塊是一款工作在433 MHz頻率下的低功耗、遠(yuǎn)距離無線收發(fā)模塊。它內(nèi)部集成了SPI接口，可方便地實(shí)現(xiàn)與LM3S811處理器的無縫連接。nRF905模塊與LM3S811接口電路如圖7所示。由于該模塊支持地址匹配和載波檢測，給系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)提供了方便。其多種工作模式也給系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)帶來了便利。nRF905模塊的工作模式如表2所列。


2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用MDK4．1集成開發(fā)環(huán)境，基于庫函數(shù)開發(fā)，基于LM3S811處理器的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分站的應(yīng)用程序。仿真器為Techshine公司的J-Link。

程序的主要功能包括2部分：

①采集DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)和BH1710FVC光照亮度傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)通過A／D轉(zhuǎn)換器采集MQ-2和MG-811傳感器的數(shù)據(jù)。

②將采集的數(shù)據(jù)打包添加分站ID信息后通過SPI接口發(fā)送到無線模塊nRF905。
為方便觀測，分站采用LCD實(shí)時(shí)本地顯示各傳感器的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)異常，給出蜂鳴和LED閃爍報(bào)警。主程序流程如圖8所示。


3 系統(tǒng)測試

本次設(shè)計(jì)的某些方案已經(jīng)成功應(yīng)用于南京林業(yè)大學(xué)-紫金山環(huán)境監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)的測試系統(tǒng)中。圖9為南林物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用截圖。

由于MQ-2和MG-811傳感器都需要預(yù)熱才能準(zhǔn)確檢測，因此系統(tǒng)需加電預(yù)熱5分鐘。從本地LCD液晶顯示屏可以觀測到溫濕度、煙霧數(shù)值和CO2數(shù)值。

測試中，若對溫濕度傳感器哈氣，其數(shù)據(jù)顯示溫濕度明顯上升；對CO2傳感器哈氣，由于CO2濃度升高，其電壓數(shù)據(jù)明顯下降。若在煙霧傳感器旁制造濃煙，則煙霧傳感器數(shù)據(jù)也明顯上升。這些測試符合傳感器的特性說明。